東汽FD77雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的控制策略

張玉輝++陳琳琳

摘 要

在分析了東汽FD77雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機控制方法的基礎(chǔ)上，從而建立了交直交變流器網(wǎng)的測電壓電路以及轉(zhuǎn)而開始測定子序磁場定向的矢量方向的磁場。對系統(tǒng)的VSCF控制、并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠，減小輸出濾波電感的壓降，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力，輸入輸出有功、無功功率可以獨立調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】電機 風(fēng)力發(fā)電 交直交變流器 變速恒頻

目前最常用的網(wǎng)側(cè)控制策略是以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ)的雙閉環(huán)控制，來實現(xiàn)對有功無功功率的控制。由于諧波的幅值以及電壓頻率的快速變化，用作勵磁電源時會在發(fā)電機定子側(cè)產(chǎn)生大量空載諧波電壓，極大程度上影響了電波輸出的頻率，甚至是導(dǎo)致了并網(wǎng)的困難。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器網(wǎng)側(cè)采用PWM矢量控制，變流器轉(zhuǎn)子側(cè)則采用了定子磁場定向的去測量磁力。并且具有雙向的功率移動，輸入以及輸出的功率可以自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有不明顯的諧波和閃現(xiàn)，可以大范圍的使用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

雙饋發(fā)電機交直交雙PWM變流器則由一對三相整流/逆變器組成，二者之間由電容直流母線連接、雙DSP控制器、并網(wǎng)保護(hù)裝置以及虛擬變速風(fēng)機等部分組成。在其中的功率器械利用的是IPM模塊，這個變流器的一側(cè)利用三廂的電桿接入電網(wǎng)，另一側(cè)則通過滑環(huán)和電刷接入雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組。并網(wǎng)保護(hù)裝置包括轉(zhuǎn)子接觸器和定子接觸器兩個部分雙饋發(fā)電機定子按星型連接，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

2 雙饋電機矢量控制

2.1 雙饋電機矢量控制原理

交流電機轉(zhuǎn)子電壓含有基波和大量諧波的正、負(fù)序及零序分量。由于零序電壓在電機中產(chǎn)生不了零序電流，但過氣隙的磁通為零。忽略鐵心的非線性飽和，將電磁曲線線性化處理，去除漏感的影響，僅僅是對電阻進(jìn)行改正。這樣就可以吧交直交變流器輸出的基波和各次諧波電壓看做成單獨在電機等效電路的轉(zhuǎn)子側(cè)電源，根據(jù)這個來計算分流、轉(zhuǎn)矩和他的功率以及使用的損耗。其電流傳遞函數(shù)如圖2所示。

雙饋發(fā)電機運動方程：

這個式子當(dāng)中，Tm作為原動機的轉(zhuǎn)矩值，Te作為電磁作用下的轉(zhuǎn)矩，J作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，np為電機極的對數(shù)，ω為電機的電角速度。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)以及磁場的能量特點，可以將電磁轉(zhuǎn)矩特點給分析出來：

電磁力的轉(zhuǎn)向角度與方向相反就為正，轉(zhuǎn)差率S按照小于同步的轉(zhuǎn)速為正，參照異步電機的分析方法，雙饋發(fā)電機的等效電路，如圖3所示。

根據(jù)有關(guān)等效的電路圖數(shù)據(jù)，可以得到雙饋發(fā)電機的基本得數(shù)：

式中：

R1、X1分別為定子側(cè)的電阻和漏抗；

R2、X2分別為轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻和漏抗；

Xm為激磁電抗；

分別為定子側(cè)電壓、感應(yīng)電勢和電流；

分別為轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電勢，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過頻率和繞組折算后折算到定子側(cè)的值。

轉(zhuǎn)子勵磁電壓經(jīng)過繞組折算后的值，為再經(jīng)過頻率折算后的值。

2.2 并網(wǎng)控制

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機通過控制轉(zhuǎn)子電流頻、相位及幅值實現(xiàn)軟并網(wǎng)和軟解列。在啟動前，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速并維持一段時間后，變流器通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、相位和頻率使轉(zhuǎn)子勵磁，控制定子繞組的空載端電壓與電網(wǎng)電壓一致，發(fā)電機處于并網(wǎng)等待狀態(tài)。在進(jìn)入了并網(wǎng)的運行階段之后，根據(jù)實際情況的風(fēng)的速度和電網(wǎng)要求的數(shù)據(jù)不時地調(diào)節(jié)輸入輸出數(shù)據(jù)。解列過程與并網(wǎng)過程相反。平時的解列過程可以通過調(diào)節(jié)槳的方法，將發(fā)電機的負(fù)載度降至最低，使得發(fā)電機差不多在不負(fù)載的情況下供電。

3 實驗結(jié)果

為了驗證東汽交直交雙饋變速恒頻系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的優(yōu)勢及采用的矢量控制策略的有效性，對于整個操作系統(tǒng)的輸入輸出功率的反饋、動態(tài)與靜態(tài)性能展開了研究。圖4給出了并網(wǎng)實驗中發(fā)電機定子繞組端電壓和定子電流的實測波形，從圖中可以看出，并網(wǎng)瞬間沖擊電流很小。該實驗表明，東汽FD77發(fā)電機在采用電壓控制的并網(wǎng)方法時，它的發(fā)電機的定子端的電壓、相位和頻率各個方面都具有相同的性能，條件嚴(yán)苛的滿足了工作的條件，將發(fā)電機實現(xiàn)成軟并網(wǎng)狀態(tài)。發(fā)電機的定子側(cè)和變流器網(wǎng)側(cè)都可以運行在單位功率因數(shù)并且變流器的能量，業(yè)可以不是單向的流動，與此同時可以保證正弦輸入輸出電流，這個系統(tǒng)能夠保持風(fēng)力發(fā)電的充足性。

4 結(jié)論

本文針對東汽FD77變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的特點特別的研發(fā)了一套針對于控制電流的工作方案。結(jié)合該系統(tǒng)建立交直交變流器矢量控制系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗研究。實驗的最終現(xiàn)象表明，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有豐富的動態(tài)以及靜態(tài)的穩(wěn)固性能，并且能夠切實可行的調(diào)解輸入輸出電壓，并最終實現(xiàn)發(fā)動機的平滑工作性能，具有良好可靠性及穩(wěn)定性。

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作者簡介

張玉輝（1979-），男，碩士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)為河北大唐國際新能源股份有限公司工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電運行及試驗維護(hù)方面工作。

作者單位

1.河北大唐國際新能源股份有限公司 河北省承德市 067000

2.國網(wǎng)冀北豐南調(diào)控中心 河北省唐山市 063000